本文關(guān)鍵詞：微空泡動(dòng)力學(xué)特性的數(shù)值模擬及熱空泡特性的實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：近年來空泡在微流體系統(tǒng),超空化減阻等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,空泡的可控操作成為空泡動(dòng)力學(xué)研究的最終目標(biāo)。但由于缺乏對空泡動(dòng)力學(xué)特性的了解,無論是在微流體系統(tǒng)中,還是超空化的應(yīng)用中,空泡的產(chǎn)生均處于無序的狀態(tài),缺乏有效地控制,影響了空泡在應(yīng)用中的使用效果。因此本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合,分別對空化空泡,沸騰空泡以及氣液混合空泡的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法對正則系綜條件下的空化發(fā)生過程進(jìn)行研究。模擬結(jié)果表明,液體的溫度以及數(shù)密度均存在一個(gè)范圍值,若液體的溫度或數(shù)密度位于該范圍值內(nèi),液體中能夠發(fā)生空化,但產(chǎn)生的空泡較小,且穩(wěn)定性較差。當(dāng)溫度或數(shù)密度低于該范圍值,液體內(nèi)部同樣會(huì)發(fā)生空化,形成體積較大且穩(wěn)定性較好的空泡。若液體溫度或數(shù)密度高于該范圍值,液體內(nèi)部將不會(huì)有空化發(fā)生。同樣采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法,對正則系綜條件下空化空泡生長、潰滅過程的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析。模擬結(jié)果表明,在溫度較低的情況下,空泡能夠維持穩(wěn)定。但隨著溫度升高,空泡維持穩(wěn)定的難度增大,空泡受到周圍液體的擠壓而潰滅。在潰滅的過程中,溫度越高,空泡潰滅速度越快。溫度從0.62上升到0.80,空泡潰滅時(shí)間縮短了60%,潰滅產(chǎn)生的射流沖擊則降低了35%。此外,降低液體數(shù)密度,可以增強(qiáng)空泡的穩(wěn)定性,并且數(shù)密度越小,空泡能夠維持的體積越大。隨著溫度的升高,液體數(shù)密度對空泡穩(wěn)定性的影響逐漸減弱。對單個(gè)沸騰空泡在微電極表面的成核以及生長過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,空泡的成核時(shí)間隨微電極功率密度的增大以及環(huán)境壓力的減小而縮短。其中,電極的功率密度從0.140 MW.m-2上升到0.169 MW.m-2,空泡的成核時(shí)間縮短17%；而壓力從5 kPa降低至0 kPa,空泡成核時(shí)間縮短了3%�？张莸纳L過程包括迅速生長階段和動(dòng)態(tài)平衡階段,生長速度由快到慢。在迅速生長階段的初期,微電極功率密度對空泡的生長起主導(dǎo)作用；而在該階段的后期,環(huán)境壓力是影響空泡生長的主要因素�？张萆L的最大半徑,則是由微電極的功率密度和環(huán)境壓力共同決定的。對氣液混合空泡在微通道中電極表面的流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,在弱潤濕性的電極表面(接觸角155.5零),空泡的流動(dòng)速度是強(qiáng)潤濕性的表面(接觸角10零)的1.13倍。加載電流以后,在電極功率密度5×10。kW.m-2,電流持續(xù)時(shí)間90 s的情況下,空泡的流動(dòng)速度會(huì)降低2%。相反,強(qiáng)潤濕性的電極加載電流能提高空泡在其表面的流動(dòng)速度,且電極功率密度越大,電流加載時(shí)間越長,空泡流速越快。當(dāng)電極功率密度從0 kW.m-2增大到5×102 kW.m-2,電流持續(xù)時(shí)間從0 s增加到150 s時(shí),空泡的流動(dòng)速度提高5%。但空泡流速加快的頻率也會(huì)隨著功率密度的增加或電流持續(xù)時(shí)間的延長而逐漸下降。
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：U661.1

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本文編號：1299274